Эрл Гейтс - Введение в электронику

Второй каскад — это усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления. Этот каскад состоит из нескольких пар транзисторов, соединенных по схеме Дарлингтона, достигает усиления по напряжению в 200000 раз и более, обеспечивая большую часть усиления операционного усилителя.

Последний каскад — это выходной усилитель. Обычно это эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах. Он используется для того, чтобы операционный усилитель имел низкий выходной импеданс. Операционный усилитель может обеспечить несколько миллиампер тока нагрузки.

Операционные усилители рассчитаны на питание от двухполярного источника напряжения от ±5 до ±15 вольт. Положительный вывод источника питания должен обеспечивать от +5 до +15 вольт по отношению к земле, а отрицательный от -5 до -15 вольт по отношению к земле. Это позволяет выходному напряжению изменяться в сторону положительных и отрицательных значений по отношению к земле. Однако в некоторых случаях операционные усилители могут работать и от однополярного источника питания.

Принципиальная схема типичного операционного усилителя изображена на рис. 28–43.

Рис. 28–43. Схема операционного усилителя.

Изображенный усилитель называется LM741 (отечественный аналог К140УД7). Этот операционный усилитель не требует частотной коррекции, защищен от короткого замыкания, не имеет проблем с запиранием. Хорошие эксплуатационные качества при низкой цене обеспечивают его широкое использование.

Устройство, содержащее в одном корпусе два операционных усилителя LM741, называется LM747 (наш аналог КР140УД20). Благодаря отсутствию конденсаторов связи эти операционные усилители могут усиливать сигналы переменного и постоянного токов.

Нормальный режим работы операционного усилителя — это режим работы с обратной связью. В нем используется отрицательная обратная связь, что уменьшает общее усиление операционного усилителя, но обеспечивает лучшую стабильность.

При работе операционного усилителя с обратной связью, выходной сигнал подается на один из входов в качестве сигнала обратной связи. Этот сигнал обратной связи противодействует входному сигналу, так как находится в противофазе. Существуют две основные цепи с обратной связью: инвертирующая и неинвертирующая. Инвертирующая конфигурация более популярна.

На рис. 28–44 изображен операционный усилитель с инвертирующей обратной связью : входной сигнал подается на инвертирующий вход (-) через резистор R 1. Обратная связь обеспечивается с помощью резистора R 2.

Рис. 28–44. Операционный усилитель в качестве инвертирующего усилителя.

Величина сигнала на инвертирующем входе определяется как входным, так и выходным напряжением. Знак минус указывает на то, что выходной сигнал отрицателен, когда входной сигнал положителен. Знак плюс указывает на то, что выходной сигнал положителен, когда входной сигнал отрицателен. Выходной сигнал сдвинут по фазе на 180 градусов по отношению ко входному. В зависимости от отношения резисторов R 2и R 1усиление инвертирующего усилителя может быть меньше, равно или больше 1. Когда усиление равно 1, его называют усилителем с единичным усилением , и используют для инвертирования полярности входного сигнала.

На рис. 28–45 изображен операционный усилитель с неинвертирующей обратной связью : выходной сигнал находится в фазе со входным.

Рис. 28–45. Операционный усилитель в качестве неинвертирующего усилителя.

Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение делится с помощью резисторов R 2и R 1для того, чтобы подать напряжение обратной связи на инвертирующий (-) вход. Усиление по напряжению по неинвертирующему входу всегда больше 1.

Коэффициент усиления операционного усилителя зависит от частоты. Обычно усиление, указываемое в справочных данных — это усиление по постоянному току. При увеличении частоты усиление уменьшается. Без использования методов увеличения полосы пропускания, операционный усилитель хорош только для усиления сигналов постоянного тока. Для расширения полосы пропускания используется обратная связь, уменьшающая усиление. Насколько уменьшается усиление, настолько увеличивается полоса пропускания. С помощью этого способа полоса пропускания операционного усилителя 741 может быть увеличена до 1 мегагерца.

Операционные усилители применяются для сравнения, инвертирования или неинвертирования сигналов, они также могут использоваться для сложения сигналов, как показано на рис. 28–46. Такой усилитель называется суммирующим усилителем .

Рис. 28–46. Операционный усилитель в качестве суммирующего усилителя.

Отрицательная обратная связь удерживает потенциал инвертирующего входа близким к потенциалу земли. Следовательно, все входные сигналы электрически изолированы друг от друга. На выходе усилителя получается инвертированная сумма входных сигналов.

В суммирующем усилителе резистор, соединяющий неинвертирующий вход с землей, выбран равным полному сопротивлению параллельно включенных входному сопротивлению и сопротивлению обратной связи. Если сопротивление обратной связи увеличить, то цепь может обеспечить и усиление. Если используются различные входные сопротивления, сигналы могут быть сложены с различным усилением.

Суммирующие усилителииспользуются при смешивании сигналов звуковой частоты. В качестве входных сопротивлений используются потенциометры для регулирования уровня каждого из входных сигналов.

Операционные усилители также могут использоваться в качестве активных фильтров. Фильтры, использующие резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, называются пассивными. Активныефильтры — это безындуктивные фильтры, использующие интегральные микросхемы. Преимущество активных фильтров в отсутствии катушек индуктивности, имеющих большие размеры.

При использовании операционных усилителей в качестве активных фильтров недостатком является то, что они требуют источника питания, могут создавать шум и превращаться в генератор (возбуждаться) вследствие температурного дрейфа или старения компонентов.